建筑工程BIM+3D打印融合技术的应用探讨

周 意 曾治国 单立锋 刘著群 杨 鹏

（湖南省第二工程有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

建筑行业是我国经济的支柱产业，但随着国内人口红利消失，其低科技、高人力、安全性低、环境污染大等弊端逐渐凸显。如何实现建筑业高质量、可持续的发展已经成为了目前亟待解决的问题。随着科技的发展和进步，BIM 技术与3D 打印技术开始被应用到建筑业中，两者的结合不仅象征着建筑行业向数字化、信息化的转变，且相较于传统建筑业而言，具有低成本、建设周期短、高质量等优点。本文就建筑工程BIM+3D打印融合技术的应用进行探讨。

1 技术简介

1.1 BIM技术

BIM 技术即建筑信息模型，通过三维数字化、信息化技术将建筑物信息具体化，采集与整合建筑物各方信息，构建信息数据库，具有可视化、协调性、模拟性与优化性等优点。BIM 技术在我国已发展了十余年，在国家先后发布的如《关于促进建筑业持续健康发展的意见》等一系列政策扶持下，BIM 技术在建筑行业内得到了广泛的推广和应用。如国家会展中心、天津117大厦、上海中心大厦等项目都是BIM 应用的成功案例[1]。BIM 技术在项目建设中发挥了重要的作用，实现了项目成本节约、管理提升、标准建设等目标。

1.2 3D打印技术

3D 打印技术，即增材制造（Additive Manufaceturing），其原理是根据三维数字模型，利用混凝土、塑料或金属等可塑性强的材料，通过逐层打印、熔铸或堆积等方式来制造构件。目前3D 打印技术常用的制造方式有熔融沉积[2]、三维成型[3]、数字光处理[4]等。区别于传统制造技术，无需胚模具，可直接根据数字模型打印出实体，具有优化构件制造流程、缩短制造周期、降低成本的特点。

1.3 BIM+3D打印技术融合

BIM 技术与3D 打印技术的信息化融合是一种建筑行业颠覆性的创新，两者融合可各取所长，充分利用数字化、信息化技术的优势，在建筑行业发展过程中形成一种新的理论和方法。其原理与流程是根据BIM 技术建立数字化三维模型并转化成STL 文件，采用数据处理系统将STL 文件进行转换，对模型进行优化并生成打印路径，最后形成打印代码通过3D 打印技术控制系统打印出构造物或构件。同时在控制系统打印过程中全程可通过BIM 技术管理系统监控，实现生产过程质量、成本和进度的协调性可视化的管理。

2 BIM+3D打印技术在建筑行业的应用

3D 打印技术在我国发展的时间还不是很长，主要在航空航天、医疗、汽车等领域得到了广泛的应用。受技术的限制，目前BIM+3D打印技术在建筑行业的应用还处于初期探索阶段，主要应用于打印一些建筑幕墙装饰、异形混凝土构件等。而随着国内外开展了大量3D 打印技术实际工程的尝试和探索，也取得了一些成功的案例，如国外迪拜政府大楼，首座采用BIM+3D 打印技术结合建造的办公大楼，整个建造周期约19 日[5]；意大利米兰首个3D打印混凝土房屋，由35个混凝土模块组成，整个打印过程仅花费了48h，并可以进行拆卸和组装；在国内，盈创建筑科技公司在2015 年成功打印了地上5 层地下1 层的3D 建筑，该建筑为框架结构，突破了3D 打印技术无法适应高层建筑的限制[6]。众多成功的案例说明BIM+3D 打印技术在建筑行业的可行性是很高的，且随着我国对建筑行业绿色可持续的发展要求越来越高，BIM+3D 打印技术以其低污染、高质量、周期短和人力资源少等特点必将成为建筑业发展的新趋势。

此外，国内清华大学、上海交通大学、同济大学等国内一大批院校和学者相继开展对BIM+3D 打印技术的研究。虽然目前理论研究、相关标准等仍处于初级萌芽阶段，但BIM+3D打印技术已受到了行业非常高的关注。

3 基于BIM+3D打印技术实例

BIM 技术在我司工程项目上应用基本已达到全覆盖水平，但BIM+3D 打印技术融合应用非常少，为探索两者结合的优势，我司特在一项工程上使用了该技术，通过实践运用并总结科技成果获得实用新型专利一项（ZL202221485521.7）。

3.1 技术背景

在我国的海南岛，地处低纬度地区，阳光毒辣，工人的防暑防晒是重要的工作之一。另外，海南岛临近海岸，受海风侵蚀，材料容易锈蚀、失去效用。目前，施工场地围护结构一般采用砖墙、混凝土墙钢板围挡等形式，但这些围挡方式均存在一些不足，如施工麻烦，效率低，耗费人力，而且拆除后很难再重复利用，造成资源浪费。鉴于此，我司基于BIM+3D打印技术研发了一种3D 打印模块化可重复利用的围护挡板并申请了国家实用新型专利，不仅有效地解决了上述问题，同时是我司首次在项目上应用BIM+3D打印技术，获取了宝贵的经验，期望能加速对建筑新路的探索。

3.2 围护挡板设计

3.2.1 围护挡板介绍

从图1~图3 可知，一种3D 打印模块化可重复利用的围挡，包括拼接板、钢骨架，拼接板固定在钢骨架上。其中拼接板包括拼接板本体与内外透气孔，外侧透气孔为圆锥形，内侧透气孔为圆筒形且透气孔伸出拼接板本体65~75mm。

图1 拼接板示意图

图2 3D打印围护挡板整体示意图

图3 拼接板BIM模型图

3.2.2 围护挡板特点

（1）3D打印材质为废弃塑料，属于资源回收利用，符合绿色施工的要求，且在材料本身节省了大笔费用，降低了成本。

（2）拼接板采用BIM+3D打印技术制造，可达到集成化生产，缩短了产品制造周期，提高产品质量。另外，该产品结构简单，生产、施工非常方便，过程中基本上不产生废弃物，减少了对环境的影响，且方便重复利用、维修和回收处理。

（3）拼接板上设置了内外透气孔，在使用过程中，自然风吹入拼接板外侧圆锥形透气孔，进入内侧圆筒形透气孔内，面积减小，流速增加，可达到一定的降温效果，适用于天气炎热需要防暑的地区。

（4）不仅适用于施工场地临时围护结构，同时适用于钢筋棚、板房等需要围护挡板结构的场所。

3.3 BIM+3D打印流程

首先根据设计图纸采用Autodesk revit建模软件建立三维模型，导出FBX 格式文件至Autodesk 3dmax 中进行二次处理，然后再转换生成STL 文件，由3D 打印机数据处理系统（CURA）进行识别并调整模型的大小与精度，规划打印路径。过程中BIM 模型任何信息的变化在3D 打印数据处理系统与之对应的信息也会发生改变，并能在BIM 技术管理系统直接显示，可达到及时修改与监控的效果。

在打印路径规划完成后生成相应的打印代码并驱动3D 打印设备控制系统进行打印。3D 打印设备控制系统包括泵送装置、机械臂控、喷嘴等，打印材料进入泵送装置后，根据打印代码指令，机械臂控运行带动喷嘴将BIM 模型进行逐层叠加打印，形成预制围护挡板实体。在控制系统运行的整个过程，打印数据能同步反馈至BIM 数据显示系统中，对构件打印过程中的状态、数据进行实时分析，实现对构件生产的安全、质量与成本的动态化、可视化管理。打印完成后，对产品厚度、质量、尺寸、强度等方面进行检查，尤其对于透气孔的孔径、内侧透气孔伸出长度实行全检制度。

BIM+3D打印流程图见图4所示。

图4 BIM+3D打印流程图

3.4 应用概况

3D打印围护挡板目前已应用于我司海南工程项目上，相较于传统的砖、混凝土围挡，该产品具有质地轻盈，施工方便，周期短，成本低等特点。与现在市面上常用的PVC围挡、彩钢板围挡相比，更不易损坏，重复利用率更高，且损坏部分维修方便，废弃材料可回收处理循环使用。同时，其内外透气孔的设计对改善施工环境起到了一定的作用，受到了工人与项目业主的一致认可。总的来说，应用效果表明3D打印围护挡板在经济、现场应用、绿色施工等各方面都具有较高的可行性。

为进一步推广应用3D 打印围护挡板在项目上的广泛应用，探索BIM+3D 打印技术在材料、成本和工期等各个方面的可行性与实用性，拟采用BIM+3D打印技术建造具有3D 打印围挡的钢筋棚、临时食堂。目前已完成BIM 软件模型建立（如图5~图6 所示），因需考虑到构造物的安全与材质稳定的问题，下一步将借助ANSYS等软件完成模型、构件材料的力学性能分析，在保证构造物安全稳定的情况下实现3D打印建造。

图5 钢筋棚BIM模型图

图6 临时食堂BIM模型图

4 结束语

BIM 和3D 打印技术是建筑行业综合性前沿技术，两者结合是建筑信息化、智能化的创新，必将引领建筑业改革升级。在大力推行建筑行业高质量、绿色、智能化发展的背景下，BIM+3D打印技术必将是建筑行业转型升级的重要方向，我们应积极探讨BIM+3D打印技术在建筑行业的研究和推广。

我司基于BIM+3D打印技术成功研发了一种3D打印可重复利用的施工围挡并取得了良好的效果，同时也发现目前存在的一些不足之处，总结如下：

（1）BIM 技术与3D 打印技术的衔接不够成熟，在数据模型转换与识别的过程中，BIM 模型文件需转化为STL 文件格式，而不能直接由BIM Revit 模型格式文件直接转换为3D 打印格式软件，这容易出现数据缺失的现象，对后期构件质量产生不利的影响。

（2）现有3D 打印技术是通过喷嘴挤出材料，进行逐层叠加打印，实现模型的实物化，而3D 材料一般采用抗剪性能较差的水泥基、塑料等，缺少如钢材抗剪性能较强的材料，在构造物重要受力部位难以适用。

（3）国家虽然对BIM 和3D 打印技术有政策上的鼓励，但至今未有权威部门发布相关可供参考的标准，以至于在设计、施工、验收等过程中没有支撑依据。

（4）3D 打印技术属于综合性前沿技术，理论和操作上较为复杂，而如今的高校、社会职业培训机构几乎没有开展3D 打印技术的培训和宣贯。同时3D 打印技术的研发需要大量的经费作为支撑，导致专业技术人才短缺。

总的来说，未来BIM+3D 打印技术应从材料、软件、培训等方面继续探索和努力，尽快实现建筑行业向数字化、信息化、智能化的转变。